一种在常温、常压下催化电解实现工业合成氨反应的工艺为：，，该反应可分两步完成：反应Ⅰ：反应Ⅱ：请回答下列问题：

1. 一种在常温、常压下催化电解实现工业合成氨反应的工艺为： $\text{[math]}$ ， $\text{[math]}$ ，该反应可分两步完成：

反应Ⅰ： $\text{[math]}$ $\text{[math]}$

反应Ⅱ： $\text{[math]}$ $\text{[math]}$

请回答下列问题：

(1) $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 。

(2) 将 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 充入到3L的恒容密闭容器中模拟反应Ⅰ：

①该反应中物质浓度随时间变化的曲线如图甲所示，0~10min内， $\text{[math]}$ 。

②不同温度和压强下测得平衡时混合物中氨的体积分数与温度的关系如图乙所示，则B、C两点的平衡常数 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ (填“>”、“<”、“=”或“不确定”)；B点时 $\text{[math]}$ 的转化率=(保留2位有效数字)。

(3) 从图乙中获知反应Ⅰ存在着高温降低平衡产率与低温降低反应速率等调控矛盾。在提高合成氨的产率的工业生产中，通常从以下多个视角来综合考虑合理的工业生产条件：

反应速率的视角：①加入催化剂；②提高温度(控制在催化剂的活性温度内)

平衡移动和原料的转化率的视角：③，④。

(4) 科学家为避免直接破坏 $\text{[math]}$ 键而消耗大量热能，通过新型催化剂降低了反应路径中决速步的能垒，使该反应在常温、常压下采用电化学方法也能实现，反应装置如图所示：

①反应路径中的决速步为 (填写“Ⅰ”、“Ⅱ”、“Ⅲ”或“Ⅳ”) 。

②阴极上的电极反应式为。

【考点】

盖斯定律及其应用; 化学反应速率; 催化剂; 化学平衡移动原理; 化学平衡转化过程中的变化曲线; 电解池工作原理及应用;

【答案】

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综合题困难

1. 甲酸是重要化工原料，在新能源领域应用潜力大，对环保和可持续发展也很重要。

(1) 根据以下信息，写出甲酸分解制氢的热化学方程式：。

已知： $\text{[math]}$ $\text{[math]}$

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$

(2) 甲烷与 $\text{[math]}$ 定向转化制甲酸等物质的反应历程和能垒变化如图所示(部分自由基未画出)。有催化剂时，微粒吸附在催化剂表面进行反应。

①下列说法不正确的是。

A．甲烷定向制甲酸的反应是放热反应

B．该过程的决速步是甲烷产生自由基过程

C．从ⅰ→ⅱ的过程中，存在 $\text{[math]}$

D．微粒ⅱ和ⅲ是反应的中间体

②由 $\text{[math]}$ 生成 $\text{[math]}$ 的过程中， $\text{[math]}$ 产生自由基的过程可表示为。

(3) 利用甲酸钠脱除水体中的 $\text{[math]}$ ，反应的还原主产物是 $\text{[math]}$ ，存在中间产物 $\text{[math]}$ 和副产物 $\text{[math]}$ ，其他可能的还原产物不考虑。水体中 $\text{[math]}$ 初始浓度为 $\text{[math]}$ ，测得过程中 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ ( $\text{[math]}$ 元素的含量)随时间变化如图所示。 $\text{[math]}$ 时 $\text{[math]}$ 转化完全，检测不到 $\text{[math]}$ 。

① $\text{[math]}$ 中N原子的杂化方式是。

②从开始到转化完全时，反应速率 $\text{[math]}$ 为(保留3位有效数字，下同) $\text{[math]}$ ，氮的脱除效率( $\text{[math]}$ )可以达到。

(4) 已知 $\text{[math]}$ ， $\text{[math]}$ 。常温下， $\text{[math]}$ 的甲酸钠溶液中， $\text{[math]}$ (填“>”“<”或“=”) $\text{[math]}$ ，溶液 $\text{[math]}$ (写出此空的计算过程)。

综合题困难

2. 氢气和碳氧化物反应生成甲烷，有利于实现碳循环利用。涉及反应如下：

反应Ⅰ：CO(g)+3H₂(g) $\text{[math]}$ CH₄(g)+H₂O(g) $\text{[math]}$ H₁=-206.2kJ/mol

反应Ⅱ：CO(g)+H₂O(g) $\text{[math]}$ CO₂(g)+H₂(g) $\text{[math]}$ H₂

反应Ⅲ：CO₂(g)+4H₂(g) $\text{[math]}$ CH₄(g)+2H₂O(g) $\text{[math]}$ H₃=-165.0kJ/mol。

回答下列问题：

(1) $\text{[math]}$ H₂=。

(2) 已知反应Ⅱ的速率方程为v_正=k_正p(CO)·p(H₂O)，v_逆=k_逆·p(CO₂)·p(H₂)，其中k_正、k_逆分别为正、逆反应的速率常数。如图(lgk表示速率常数的对数)所示a、b、c、d四条斜线中，表示lgk_正随 $\text{[math]}$ 变化关系的是斜线(填字母标号)；表示lgk_逆随 $\text{[math]}$ 变化关系的是斜线(填字母标号)。

(3) 温度为T₂时，向某固定容积的容器中充入一定量的和1molCO，平衡时H₂和CO的转化率(a)及CH₄和CO₂的物质的量(n)随 $\text{[math]}$ 变化的情况如图所示(忽略其他副反应)。

①图中表示α(CO)、n(CH₄)变化的曲线分别是、(填标号)；m=；CH₄的选择性[ $\text{[math]}$ ×100%]=。

②已知温度为T₂时，起始向该固定容积的容器中充入1mol的CO和0.5mol的H₂进行上述反应，起始压强为1.5P₀ ，反应Ⅰ的K=(用P₀表示)。

③温度为T₁时， $\text{[math]}$ =1时，α(CO)可能对应图中X、Y、Z、W四点中的(填标号)。

综合题困难

3. “碳达峰·碳中和”是我国社会发展的重大战略。CH₄还原CO₂是实现“双碳”经济的有效途径之一，相关的主要反应有：

反应a： $\text{[math]}$

反应b： $\text{[math]}$

回答下列问题：

(1) 反应 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ kJ/mol，该反应正向自发的条件为(填“高温”或“低温”)自发。

(2) 在刚性密闭容器中，进料比 $\text{[math]}$ 分别等于1.0、1.5、2.0，且反应达到平衡状态，甲烷的质量分数随温度变化的关系如图下1所示，曲线x对应的 $\text{[math]}$ 。

(3) 恒压、750℃时，CH₄和CO₂按物质的量之比1：3投料，反应经如图2流程(主要产物已标出)可实现CO₂高效转化。

①下列说法错误的是(填标号)。

A．CaO与CO₂的反应可促进Fe₃O₄氧化CO的平衡右移

B．Fe₃O₄和CaO都可以循环利用

C．H₂在过程ii将Fe₃O₄还原为单质铁

D．过程ii产生的H₂O最终被CaO吸收了

②过程ⅱ平衡后通入He，CO的物质的量的变化是(填“升高”“降低”或“不变”)。

(4) CH₄还原能力(R)可衡量CO₂转化效率， $\text{[math]}$ (同一时段内CO₂与CH₄的物质的量变化量之比)。常压下CH₄和CO₂按物质的量之比1：3投料，发生反应a和b．某一时段内CH₄和CO₂的转化率和R值随温度的变化分别如图3和图4所示。

①结合图3分析图4，R随温度升高呈现先降低后升高趋势的原因是。

②催化剂X可提高R值，另一时段内CH₄转化率、R值随温度变化如下表：

温度/℃	480	500	520	550
CH₄转化率/%	7.9	11.5	20.2	34.8
R	2.6	2.4	2.1	1.8

下列说法正确的是(填标号)。

A．R值提高是由于催化剂X选择性地提高了反应a的速率

B．温度越低，含氢产物中H₂O占比越高

C．改变催化剂提高CH₄转化率，R值一定增大

综合题困难